Projecte de construcció d’un robot - francescribalta.cat · La forma analògica té...

1

PROJECTE DE CONSTRUCCIÓ D’UN ROBOT PIGALL

ÍNDEX

1. Motivació i objectius . . . . . . pàg. 2

2. Introducció i història . . . . . . pàg. 4

3. Les tres parts d’un robot . . . . . . pàg. 7

4. Components electrònics . . . . . . pàg. 9

5. Els microcontroladors PIC i PICAXE . . . . pàg. 11

6. “Schools experimenter board AXE092” . . . . pàg. 15

7. Robot seguidor de línies . . . . . . pàg. 19

8. Definició de pigall . . . . . . . pàg. 25

9. El robot pigall

9.1. Plantejament del robot . . . . . pàg. 29

9.2. Comprovació dels components . . . . pàg. 32

9.3. Replantejament i factors a tenir en compte . . pàg. 36

9.4. Muntatge de la part electrònica . . . . pàg. 39

9.5. Muntatge de la part mecànica . . . . pàg. 42

9.6. Programació . . . . . . pàg. 45

10. Possibles millores del robot . . . . . pàg. 47

11. Conclusió del treball . . . . . . pàg. 48

12. Pressupost invertit . . . . . . . pàg. 49

13. Webgrafia . . . . . . . . pàg. 50

14. Agraïments . . . . . . . . pàg. 52

2


1. MOTIVACIÓ I OBJECTIUS

Què m’ha portat a escollir un treball de recerca sobre robòtica?

Doncs, segurament, la relació tan directa que té amb la informàtica, i alhora, la

“facilitat” que tenim la gent de la nostra generació amb els ordinadors, i el fet

que tota la nostra vida hi hem estat familiaritzats. I no només això, sinó que des

de que existim, hem estat envoltats d’aparells electrònics que ens fan la vida

més fàcil. I aquest és un altre interès: facilitar la vida. Per què escombrar, tallar

l’herba del jardí o fer el dinar quan ho pot fer un robot en el nostre lloc?

Un altre argument que ha possibilitat l’elecció d’aquest treball ha estat

que, en anys anteriors, ja s’ha realitzat algun treball de recerca sobre robòtica, i

amb èxit. Aquest, és un fet que ajuda molt, perquè demostra que tenim

capacitat per construir un robot i perquè desmunta una pregunta tan inquietant

com aquesta: “I al final, funcionarà?”.

I, l’últim factor a l’hora de triar aquest treball, ha estat la possibilitat de

fer-lo pràctic; anar més enllà del paper i disfrutar del què s’està fent.

Ja tot convençut, el primer pas va ser l’entrevista amb el tutor del treball,

el Pep Porredon. Des del primer moment, va quedar clar que, amb els

coneixements bàsics apresos a classe, no podria construir cap robot, i també que

el camí seria pedregós: “En el món de l’electrònica, mai funciona res a la

primera”.

Així doncs, el principal objectiu del treball no és construir un robot que

destaqui per la seva infinitat d’utilitats, impressionant funcionalitat... sinó

3


familiaritzar-me amb el tema de la robòtica, construir un robot pigall que pugui

realitzar unes funcions bàsiques, adquirir uns coneixements que em seran molt

útils de cara al meu futur acadèmic i, per què descartar-ho? Potser en un futur,

aprofundir més en la matèria i construir l’esmentat robot: el millor entre els

millors!

4


2. INTRODUCCIÓ I HISTÒRIA

Quan parlem de la robòtica, ens referim a la ciència que estudia i

desenvolupa els robots, màquines que fan les feines que els humans no som

aptes per fer o que són repetitives o perilloses.

Doncs aquesta ciència, ens porta enrere fins l’any 1920 (any de naixement

d’Isaac Asimov), quan la paraula robot apareix al diccionari i comença a

substituir el més antic terme autòmat. Però realment, la paraula no va ser creada,

sinó que es deu a un escriptor txec, que en escriure l’obra de teatre Rossum's

Universal Robots, va utilitzar la modificació de la paraula txeca robbota, que

significa treball forçat. L’obra va tenir tant èxit que, la paraula robot, va fer-se

molt popular.

Tot i haver-hi notícies de l’existència de robots molt anteriorment al 1920,

concretament als segles XI i XII i fins i tot al segle I a.C., són uns fets bastant

irraonables si tenim en compte que de l’electricitat, l’energia vital per als

esmentats robots, en comencem a tenir notícia a partir dels segles XVII, XVIII i

XIX, amb científics tan destacats com Luigi Galvani (va adonar-se que el que

produïa les contraccions dels músculs, i per tant els feia moure, eren els

impulsos elèctrics), Alessandro Volta (descobridor de la corrent contínua i

inventor de la pila elèctrica), Charles-Augustin Coulomb (va introduir les lleis i

valors nominals en el camp de l’electromagnetisme) i molts altres.

“Però, hem de tenir por d’un robot?” Una pregunta que, de ben segur,

tots ens hem plantejat algun cop; doncs no hem d’oblidar que un robot és una

màquina, una “eina” que només fa el que les persones li ordenen. I en aquest

5


punt és quan hem de recórrer a la novel·la Jo, robot d’Isaac Asimov i les seves

tres lleis de la robòtica:

1. Un robot no pot fer mal a un ésser humà o, per inacció, permetre que un

ésser humà prengui mal.

2. Un robot ha d'obeir les ordres dels éssers humans, excepte si entren en

conflicte amb la primera llei.

3. Un robot ha de protegir la seva pròpia existència en la mesura que

aquesta protecció no entri en conflicte amb la primera o la segona llei.

D’aquesta manera queda clar que no hem de tenir por dels robots, -que no

dominaran l’univers ni extingiran la raça humana- sinó dels seus creadors,

nosaltres.

Ara que ja tenim una mica d’informació sobre els robots, parlem de com

es construeixen. Doncs bé, qualsevol robot consta d’una part mecànica i una

part electrònica, en la qual ens centrarem de moment. Aquesta part electrònica,

pot ser analògica o digital. Direm que la manera analògica és aquella que

treballa amb uns valors que, dins d’un interval, poden ser infinits (depenent de

l’exactitud de l’aparell; per exemple entre 0 i 255: 0, 0,1 , 0,01...) i proporcionen

voltatges que oscil·len entre el valor màxim i mínim de la tensió que té el circuit.

La forma analògica té l’inconvenient de que un cop muntat el circuit, el

comportament que aquest té no es pot modificar. En canvi, la manera digital és

la que més s’utilitza avui en dia: només té dos valors, 0 (obert, low) i 1 (tancat,

high). Havent-hi únicament aquests dos valors, si la senyal és 0, el voltatge serà

0 també, però si la senyal és 1, el voltatge serà la tensió total aplicada al circuit.

L’avantatge de la forma digital és que el seu comportament es pot canviar

fàcilment en qualsevol moment.

6


Amb aquesta informació a tenir en compte, he optat perquè el robot que

construeixo pel treball de recerca sigui digital. Això em garanteix unes

possibilitats de fracàs inferiors i, que si la construcció del robot es fa amb temps

suficient i sense gaires entrebancs, pugui optar a fer alguna ampliació en la seva

funcionalitat.

Figura 1. Gràfics: senyal analògica i senyal digital (respectivament).

7


3. LES TRES PARTS D’UN ROBOT

Des d’un primer moment em va preocupar el fet que no tenia els

coneixements necessaris per a muntar un circuit elèctric gaire complex, i molt

menys un robot. A classe sí que havíem tocat el tema de l’electricitat: lleis

d’Ohm, Joule, Kirchhoff... unes lleis que permetien treballar sobre circuits tipus

aquests:

Tot i així, la gràcia d’un robot està en què aquest pugui percebre les

variables de l’entorn (temperatura, llum, soroll, relleu del terreny...) i qualsevol

estímul i, sense ajuda humana, que aquest pugui donar una resposta adient a

l’estímul rebut (si és fosc, encendre la llum; si hi ha gasos tòxics, emetre un so

d’alarma...).

Així que un sol circuit no pot formar un robot; les tres parts essencials de

què està constituït qualsevol robot són: sensors, microcontrolador i actuadors.

Figura 2. Exemples de circuits electrònics.

8


Sensors: són qualsevol aparell que és capaç d’emmagatzemar alguna

variable de l’entorn i transmetre-la en forma d’electricitat per poder ser

processada més endavant. Alguns exemples són:

Resistència LDR Sensor Sensor

(depèn de la llum) d’infrarojos d’ultrasons Acceleròmetre

Microcontrolador: és un component electrònic que és capaç d’interpretar

les variables que li arriben, processar-les i donar alguna ordre als actuadors en

funció de la variable que ha arribat.

Microcontrolador Processador

PICaxe 08-M d’ordinador

Intel Celeron 3

Actuadors: són els aparells que reben les ordres del microcontrolador i

entren en funcionament per ordre d’aquest. Alguns exemples són:

Díode LED Altaveu Servo motor

9


4. COMPONENTS ELECTRÒNICS

Són dispositius que, connectats amb altres components, formen un

circuit i estan destinats a realitzar funcions elèctriques. Aquests són els

components que he fet servir durant la realització del treball:

Interruptor: component electrònic amb dues posicions, en una d’elles

deixa passar l’electricitat i en l’altra, talla el flux de la

corrent. Consta d’una peça que fa contacte amb el circuit o

deixa de fer-ne.

Resistència: s’utilitza principalment per limitar la corrent que passa entre

dos punts elèctrics, tot i que també es fa servir per

escalfar, per efecte Joule, en estufes, forns... Consta d’una

peça de carboni o altres materials que dificulten el pas de

l’electricitat.

LDR: altrament anomenada fotoresistència, és una resistència que varia el

seu valor depenent de la llum que incideixi en ella.

Regulador de tensió: component que regula el voltatge que passa per un

circuit. Per exemple: si alimentem un circuit que necessita

5V amb una font de 12V, el regulador desviarà els 7V

sobrants cap a GND (terra, pol negatiu).

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/48/Light-dependent_resistor_schematic_symbol.svg

10


Transistor: dispositiu electrònic que pot complir funcions d’amplificador,

oscil·lador, commutador o rectificador de corrent. El seu

nom és la contracció anglesa de transfer resistor

(resistència de transferència). Consta de tres parts: el

col·lector (on arriba la corrent), la base (que pot actuar

d’interruptor o amplificador segons la corrent que li

arribi) i l’emissor (que transmet la corrent a la resta del

circuit).

Díode: semiconductor que permet el pas de l’electricitat en un únic sentit.

Està format per l’ànode i el càtode, que indiquen la

polaritat del díode.

LED: light emitting diode, és un díode emissor de llum. Produeix llum

perquè quan l’electricitat passa de l’ànode al càtode, hi ha

una certa pèrdua d’energia, que es transforma en fotons

(llum) i calor. El color de la llum i la quantitat de calor

despresa depenen del material semiconductor amb què el

LED està construït.

Condensador: és un component passiu, també anomenat capacitador, que

serveix per emmagatzemar una petita quantitat

d’electricitat que posteriorment allibera. Està format per

dues capes conductores separades per un material

dielèctric (no conductor).

11


5. ELS MICROCONTROLADORS PIC I PICAXE

Els microcontroladors PIC (peripherial interface controller), que han anat

evolucionant molt des de la seva invenció, avui en dia es caracteritzen per:

El seu baix consum (normalment funcionen a una tensió de 5V i

necessiten una corrent de 20 a 50mA).

El seu baix cost (tot i que depèn de la marca, en les més barates podem

obtenir un PIC per uns 2€).

Utilitzar la memòria “flash” per emmagatzemar el programa. Aquest

tipus de memòria es caracteritza per la seva rapidesa (permet escriure i/o

suprimir diferents seccions de la memòria alhora), la seva no-volatilitat

(aquesta memòria no s’esborra quan es desconnecta de l’alimentació) i la

facilitat de ser reprogramada (en molts casos només cal connectar el PIC

al PC i descarregar el programa a la memòria, sense més dificultats).

Aquesta memòria Flash, tot i ser tan útil, té un inconvenient important: les

seccions internes de la memòria (allà on s’emmagatzemen els bits que

constitueixen la informació emmagatzemada) poden ser reprogramades unes

100.000 vegades, ja que llavors queden corrompudes. Bé, tampoc és un

inconvenient tan important si tenim en compte que aquestes 100.000

substitucions de memòria superen el temps de vida útil que adjudicarem els

usuaris al PIC.

Però per què s’ha fet tan popular aquest tipus de memòria si, en comparació

a altres mètodes d’emmagatzematge (p.e. discs durs “HDD”) que poden arribar

a emmagatzemar fins a 2TB, en memòria flash el màxim que trobem són 64GB i,

en el cas de memòria flash dels microcontroladors PIC, no supera 1MB?

12


La resposta la trobem en què la memòria flash no és sinó una evolució de les

memòries que utilitzaven anteriorment els PICs:

ROM: Read Only Memory, es pot programar una sola vegada, en la

mateixa fabricació, i l’utilitzen les empreses en grans tirades de

producció.

PROM: Programmable Read Only Memory, es pot programar una única

vegada, però es pot fer posteriorment a la fabricació del xip, a diferència

de la ROM.

EPROM: Erasable Programmable Read Only Memory, es pot programar més

d’un cop, però per esborrar el que ja hi ha emmagatzemat es necessiten

rajos ultraviolats1, i l’esborrat mai és complet del tot.

EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read Only Memory, permet

ser programada varis cops, però sense necessitat d’esborrar amb rajos

ultraviolats; tant la programació com la supressió es fan elèctricament.

Actualment, aquestes memòries no han quedat obsoletes: els fabricants les

continuen utilitzant en productes que no poden o no han de ser modificats, p.e.

televisors, lectors DVD, equips de música... ja que són més barates que la

memòria flash, encara en període de desenvolupament.

1Es dirigeix un raig de llum ultraviolada cap a l’orifici del PIC (que podem

veure en la fig.3) durant un interval de temps determinat.

Figura 3. PIC amb memòria

EPROM i el corresponent orifici

per esborrar-la.

13


Els microcontroladors PICAXE, que són de tipus PIC i utilitzen la

memòria flash, fan la mateixa funció que un processador d’ordinador, però són

menys potents i per tant les tasques que se’ls pot encomanar han de ser menys

exigents. D’aquest tipus de microcontroladors en podem trobar en molts llocs:

al microones, al robot de cuina, a la rentadora... i fins i tot en joguines, com per

exemple els furby. Les raons per les quals aquest microcontrolador està tan extès

són: el seu baix cost i la facilitat amb que aquest es pot programar.

Realment, tot i que la potència d’aquests microcontroladors sigui

reduïda, són un gran avenç tecnològic, ja que, de microcontroladors PIC fa

molts anys que n’hi ha al mercat, però eren tantes les dificultats a l’hora de fer-

los servir que les empreses preferien l’electrònica analògica per a fabricar els

seus productes. En canvi, actualment els PICAXE vénen preestablerts de

manera que, connectant amb un cable USB un ordinador i el circuit, qualsevol

persona pot descarregar el programa que ha dissenyat per aquell projecte.

Un altre avantatge és la simplicitat del llenguatge de programació usat: el

BASIC, que com el seu nom indica, és bastant intuïtiu. A més, el software de

programació de PICAXE, de llicència gratuïta, ofereix la possibilitat de

dissenyar programes mitjançant diagrames de blocs, que, tot i tenir alguna

limitació respecte el tradicional mètode de programació a baix nivell (escriure

línia a línia tot el codi), una opció preferible i també disponible en aquest

software, pot ser molt útil per a aquelles persones que s’aboquen ocasionalment

a aquest món.

Una gran diferència dels microcontroladors PIC (i conseqüentment

PICAXE) vers un típic processador d’ordinador, a part de l’obvietat de la

diferència de tamany, preu i potència (superiors en processadors de PC), és la

14


major autonomia dels PIC: un processador d’ordinador, per funcionar, necessita

una placa base, memòria externa... però en canvi, els microcontroladors PIC són

totalment autònoms. Permeten la connexió directa dels sensors i actuadors i són

capaços de fer-los funcionar sense “intermediaris” (realment si que n’hi ha, però

el PIC els porta incorporats interiorment).

Figura 4. Comparativa dels components necessaris per al funcionament d’un PC

(esquerra) i el d’un PIC (dreta).

15


6. “SCHOOLS EXPERIMENTER BOARD AXE092”

Per començar a entrar en matèria, vaig veure convenient la construcció i

desenvolupament del circuit de proves “AXE092”. Aquest, és un circuit que,

encara que no sigui anomenat robot, serveix per l’aprenentatge d’aquests, ja que

consta de sensors (un interruptor i una resistència LDR), microcontrolador (un

PICAXE 08-M) i actuadors (tres LEDs, un altaveu “piezo elèctric” i sortides

auxiliars).

Igual que en els processadors d’ordinador, existeixen diferents models de

microcontroladors PICAXE, l’elecció dels quals es realitza en funció de la funció

que aquest ha de complir. En aquest cas, el microcontrolador utilitzat és el

PICAXE 08-M.

Figura 5. Schools Experimenter Board AXE092.

16


És un microcontrolador amb 8 potes: la 1 i la 8 serveixen per

l’alimentació elèctrica, la 2 i 7 serveixen per transferir els programes des de

l’ordinador, la 3 i 4 són entrades per sensors, i la 5, 6 i 7 són sortides pels

actuadors. Com es pot veure en la imatge, hi ha potes que poden utilitzar-se

tant d’entrada com de sortida, i hi ha potes que poden fer funcions específiques:

la 3 pot llegir dades analògiques (que es diferencien de les digitals perquè,

enlloc de 0 [tancat] i 1 [obert], els valors oscil·len entre 0 i 255 [de manera que el

llindar entre obert o tancat l’estableix l’usuari+) d’un sensor, la pota 4 pot

interpretar senyals d’un receptor infraroig, la 7 pot codificar ordres per ser

emeses per un emissor infraroig, i la pota 5 pot emetre senyals amb diferents

freqüències de manera que quan siguin reproduïdes per l’altaveu, formaran

una melodia.

A part de les funcions de cada pota, una altra dada important és la

velocitat de rellotge o freqüència, en aquest cas, 4 MHz. Aquesta, és la velocitat

amb la que el microcontrolador executa les ordres. I, si tenim en compte que la

freqüència és:

f = 1 / T (on f és freqüència i T és el període)

trobem que T = 1 / f , que en aquest cas serà T = 1” / 4.000.000 Hz = 0,00000025”

i així sabem que, el PICAXE 08-M executa una ordre cada poques seqüències de

0,25 µsegons.

Figura 6. Esquema del PICAXE 08-M.

17


Doncs bé, un cop entès el funcionament d’un PICAXE, vaig començar

l’ensamblatge. Per muntar la placa de proves, vaig haver de soldar tots els

components, cosa que era una novetat per a mi –no havia soldat mai-, però

després d’una classe amb el tutor i una mica de pràctica vaig obtenir un resultat

bastant bo. Tot i això, un cop desenvolupat el programa i programat el

microcontrolador, el funcionament del circuit no va ser l’esperat: l’altaveu no

emetia cap soroll i un dels tres LEDs no funcionava. Vaig intentar corregir-ho:

vaig canviar el led “espatllat” per un altre, amb l’esperança que aquest

funcionés; i vaig fer una modificació al programa de manera que l’ordre per

activar l’altaveu fos una altra. El resultat? Negatiu. Quan vaig canviar el LED

vaig trencar una pista de coure del circuit, i per connectar de nou el LED, vaig

haver de fer un pont.

Respecte l’altaveu, continuava sense funcionar. Tot junt era molt estrany,

ja que abans de canviar el LED, havia comprovat que funcionés, i a més, en

l’altaveu, si li feia la prova de continuïtat amb el tester mentre el

microcontrolador executava l’ordre de reproduir una melodia, aquesta melodia

s’escoltava per l’altaveu del tester. Finalment, després de nombroses

investigacions, vàrem descobrir que l’altaveu sí que sonava, però tant fluix que

per sentir-lo te l’havies de posar a l’orella i hi havia d’haver un silenci sepulcral.

El problema amb el LED va ser més misteriós, ja que aquest era nou, i a

més, amb la supervisió del Pep vam mirar tots els punts on hi podia haver

errates en el circuit i vam comprovar amb el tester tots els punts elèctrics

convenients, però res. Al final vam descobrir que, de camí del microcontrolador

al LED es perdia, misteriosament, 1 V, possiblement per una fuga en alguna

pista de coure o per un mal funcionament de la resistència de 330Ω que

protegeix el LED. Així que, cap dels dos LED que vaig provar no s’havia encès

perquè els hi faltava corrent.

18


Tot i aquest contratemps, com que havia comprès la dinàmica del

funcionament del circuit i quan vaig haver explotat totes les opcions que aquest

m’oferia, vaig avançar i em vaig posar a treballar amb annexos del circuit, que

es connectaven a aquest per mitjà de les entrades i sortides auxiliars que porta

incorporades. Amb aquests annexos vaig aprendre el funcionament dels

transistors, que permetien fer d’interruptor d’un circuit secundari; i dels

condensadors, que serveixen per emmagatzemar petites quantitats d’electricitat

perquè, si hi ha un tall de corrent molt curt, l’aparell no s’apagui, o l’altra funció

que tenen, que és filtrar les senyals elèctriques, fent-les més “fiables” per als

aparells o components on aquestes senyals seran consumides.

En els annexos trobareu un dels programes utilitzats en les pràctiques del

circuit AXE092 amb la seva corresponent explicació.

Figura 7. Foto de la placa de proves amb els annexos.

19


7. ROBOT SEGUIDOR DE LÍNIES

Quan ja havia tret tot el suc possible a la placa de proves, aconsellat pel

tutor, vaig decidir construir un robot seguidor de línies, que encara que

funcioni amb sensors infrarojos, els quals no necessito per al funcionament del

meu robot pigall, és una bona forma d’ampliar els meus coneixements sobre

robòtica i electrònica.

Doncs, igual que la placa anterior, el circuit del robot està proveït d’un

PICAXE 08-M. Com que en el robot només hi ha dues entrades (els dos sensors

infrarojos “CNY70”) i dues sortides (dos servo motors), aquest

microcontrolador és suficient per al seu funcionament.

El procediment a seguir per muntar el robot va ser, primer de tot, soldar

cada component al seu lloc, cosa que va ser relativament fàcil tenint en compte

que la placa on s’havien de soldar aquests components estava dissenyada per

professors i organitzadors del concurs “Robolot”, de la Garrotxa. En aquest pas,

l’únic entrebanc que vaig tenir va ser que, els sensors van muntats en una placa

a part de la de la resta de components, per poder tenir llibertat a l’hora de

col·locar-los adequadament, i, els cables que vaig utilitzar (cables de connexió

paral·lela d’un disc dur “IDE”) eren tan prims que, es van trencar varis cops pel

punt de la soldadura fins que no vaig tenir tot el xassís del robot completat.

Després d’això, tocava treballar amb els servo motors, que, “trucats”

adequadament, feien la funció d’un motor elèctric amb reductor. Per fer aquest

procés de trucar els servo motors, el que vaig haver de fer va ser: obrir els

servos i dessoldar el circuit que incorporava uns sensors de gir i, en el seu lloc,

soldar els cables de l’alimentació i un condensador; i finalment, retirar els

20


engranatges de l’interior i tallar el topall d’un d’ells, de manera que, tots els

engranatges poguessin girar 360º. Un cop fet això i comprovat que els servos

funcionaven, va ser l’hora de comprovar que el circuit del robot funcionava, i

per fer això, vaig introduir un programa senzill que interactuava tant amb els

sensors infrarojos com amb els servos.

I, un cop comprovat l’èxit del funcionament, va ser l’hora de construir el

xassís. No m’imaginava, però, que aquest pas seria el més complicat fins al

moment, ja que, a l’hora de construir el xassís per al robot, hi ha molts factors a

tenir en compte: ha de ser resistent, lleuger, hi ha d’haver lloc per a tots els

aparells i components (servos, piles, circuit, sensors...), tot el material ha d’estar

distribuït de manera que el pes recaigui sobre l’eix central dels servos, per

augmentar la tracció, hi ha d’haver certa versatilitat en el muntatge, per poder

Figura 8. Vista inferior del robot, on hi ha el circuit elèctric.

21


ajustar la posició dels sensors fins que es comportin adequadament... Així que,

després de meditar una mica i informar-me, vaig decidir que la millor opció era

donar una nova utilitat als CDs inservibles que tenia per casa, perquè, a part de

complir la majoria de requisits, són de fàcil substitució i baix cost. També les

rodes, acoblades als servo motors, són CDs, ja que tenen un diàmetre bastant

d’acord amb l’alçada necessària del robot, i, recobrint-ne la part de fora amb

cinta adhesiva, la tracció i adherència van augmentar notablement.

Un cop tot va estar subjectat, quan el robot ja era una sola peça, va ser el

torn de la programació. Fer el programa per que el robot es comportés

adequadament no va ser fàcil, perquè anava a una velocitat massa elevada per

tenir temps a girar en les corbes, però mica en mica, anant variant els temps

d’encesa i apagada dels motors i introduint interrupcions2 en el programa, vaig

aconseguir que el robot recorregués el circuit adequadament i sense massa

dificultats.

I, el robot sap que està seguint una línia? Doncs no. El funcionament del

robot rastrejador és relativament fàcil: els sensors infrarojos emeten llum

infraroja que es perd (si el fons és negre, que absorbeix la llum) o rebota (si el

fons es blanc, que reflecteix la llum). Així, aquests sensors funcionen com un

interruptor: si la llum no rebota (fons negre) envien un “1”, però si el fons és

blanc i els infrarojos són reflectits, envien un “0”.

2Interrupcions: ordre dins d’un programa informàtic que provoca que, si es

donen certes circumstàncies, aquest programa es salti l’acció que està fent en el

moment per passar a fer una altra cosa immediatament.

22


Tenint aquesta informació, l’únic que queda per fer és encendre o apagar

els motors en funció del que digui cada sensor, per exemple: si el sensor

esquerre està sobre la línia negra, però el dret se surt i detecta el fons blanc,

caldrà que el robot giri cap a l’esquerra per recol·locar els dos sensors sobre la

línia, cosa que es fa apagant el motor esquerre i encenent el dret.

Però ens trobem en un problema en el moment en el que el robot perd la

línia completament. El fem retrocedir enrere? Impossible, per fer això, els servo

motors haurien d’estar connectats a l’alimentació mitjançant un pont en H

(explicat en l’apartat del robot pigall) de transistors, o a dues alimentacions

diferents, cadascuna soldada als servos amb una polaritat diferent; l’única

manera d’invertir el sentit de gir d’un motor elèctric és invertint-ne la direcció

del flux d’electrons. Així, les ordres a seguir en cas de perdre la línia van a gust

del programador. En el meu cas, quan el robot perd la línia, té l’ordre de seguir

endavant i girar a dreta i esquerra mentre espera que algun dels sensors torni a

Figura 9. Robot seguidor de línies en el circuit.

23


donar senyal, moment en el que el rastrejador tornarà al recorregut del circuit i

al comportament normal del programa i el robot.

El robot, ja acabat, després de fer modificacions consecutives en el

programa i la distància dels sensors d’infrarojos amb el terra, és capaç de donar

moltes voltes al circuit sense sortir-ne gairebé mai. Tot i això, he comprovat que

és incapaç de seguir el circuit si hi ha una corba de 90º, ja que com els dos

sensors estan alineats, la línia se’ls acaba al mateix instant i és impossible que

sàpiguen cap a quin costat s’ha de girar.

Tot i l’èxit del seguidor, un factor amb el qual no comptava era la llum

ambiental, que a vegades pot provocar la confusió dels sensors infrarojos, ja

sigui per ser llum amb una longitud d’ona similar a la infraroja o per fer brillar

el circuit (de manera que reflectirà més llum). Doncs, he comprovat que el robot

es comporta millor de nit o amb poca llum que durant el dia, tot i que la

diferència és bastant insignificant.

En el suport digital del treball de recerca trobareu vídeos on es mostra el

robot seguidor de línies en funcionament.

El programa que fa funcionar el robot seguidor (amb la corresponent

explicació a sota) és aquest:

24


25


8. DEFINICIÓ DE PIGALL

Si busquem en el diccionari o enciclopèdia, obtenim la següent definició

de pigall: “noi/a que acompanya una persona cega per guiar-la”. Tot i això, ens

adonem que avui en dia, el fet més corrent és que les persones cegues vagin

soles i amb un bastó o acompanyades per un gos. I, tot i que vagin

acompanyades per un familiar, aquest no es pot considerar un pigall, ja que,

probablement, aquesta no és la seva feina. Això sí, però, hi ha situacions en les

quals es fa imprescindible la feina d’un pigall. Aquest és el cas de persones amb

ceguesa total que no tenen –per la causa que sigui- accés a un gos pigall i no es

poden valdre d’un simple bastó; o el cas dels cecs que volen practicar algun

esport d’aventura com BTT, escalada, esquí...

Aquest seria el cas particular

de Jon Santacana, un

esquiador professional que

participa en la categoria B23 i

que es val del seu guia per

poder baixar per les pistes

d’esquí i participar en les

competicions.

Però el mot “pigall”, és popularment més usat per nomenar el gos pigall,

un gos que ha estat educat per fer aquesta funció: fer de guia de les persones

amb alguna discapacitat visual.

Figura 10. Jon Santacana esquiant amb el seu guia.

3En l’esquí de competició per a cecs hi ha les categories B1, B2 i B3. La B2 és la

que engloba els invidents amb una ceguesa parcial però important.

26


Aquests gossos, acostumen a ser de les races golden retriever, labrador

retriever i pastor alemany, ja que tenen per naturalesa un caràcter dòcil i bastant

sociable.

La història dels gossos pigall es remunta a la Primera Guerra Mundial, a

Alemanya, l’any 1916. Hi va haver un nombre tan elevat de soldats amb

ceguesa deguda a la guerra que, el doctor Gerhard Stalling va decidir crear la

primera escola d’ensinistrament de gossos pigall. Aquesta idea va tenir tant

d’èxit i va ser tant efectiva que, ben aviat, es van obrir noves escoles per tot

Alemanya i es van poder cedir gossos guia als civils invidents a part dels

soldats. Tot i això, no va ser fins al 1927, quan una periodista va publicar un

article sobre l’escola en un diari, que la brillant idea dels gossos pigall va sortir

de territori alemany i va fer-se internacional.

Actualment, el seu ensinistrament pot arribar a durar uns dos anys, i està

dividit en tres fases. En la primera, el gos conviu amb una família voluntària

durant uns 10 mesos (des de les set setmanes de vida del gos fins a l’any),

període en el que aquest aprèn a estar 24 hores seguides en contacte humà, i,

s’acostuma als diferents sons i objectes de la casa. En la segona fase, que dura

fins a l’any i mig o dos anys d’edat del gos, aquest aprèn funcions com ara

avançar en línia recta o aturar-se davant un pas de zebra. I en l’última fase,

d’unes tres setmanes de durada, es posen en contacte el gos i el seu futur amo,

per familiaritzar-se l’un amb l’altre i perquè l’amo aprengui a cuidar i a

interpretar el seu gos guia.

Però tot i que aquests gossos siguin una “arma” tan efectiva contra la

ceguesa, és ben difícil trobar-ne. Això és degut a que la demanda és molt

superior a l’oferta: a tot Espanya només hi ha un centre d’ensinistrament de

gossos pigall que, com a màxim, és capaç de reclutar uns 75 gossos per any. A

27


aquesta informació, cal sumar-hi el preu unitari de cada gos, que tot i variar en

funció de l’organització, ronda els 25.000 $ (pròxims a uns 18.000€).

Així, els robots pigall són una bona alternativa, i tot i que encara s’està

investigant sobre el tema, que és molt complex, en un futur molt proper poden

ser de gran ajuda per als invidents, que segurament els podran obtenir amb

molta facilitat: sense llistes d’espera ni unitats limitades, i amb un preu més

reduït en comparació amb els gossos.

I, tot i ser un avantatge en aquest sentit, un robot guia per a cecs pot

comportar una constant preocupació del seu usuari: s’acabarà la bateria a mig

camí? El robot caurà per unes escales i quedarà inservible? I si es posa a ploure i

sofreix un curtcircuit?

Però, amb els gossos tampoc tot és de color rosa. Cal tenir en compte que

avui en dia, els carrers estan plens de gossos i gats, coloms, escombraries... que

distreuen molt fàcilment al gos guia, i, l’invident ha d’aprendre a controlar

aquestes distraccions, les quals poden provocar un accident. A més a més, la

persona cega ha de saber en tot moment on es troba, ja sigui contant els passos

de zebra que creua, les cantonades per les que passa... ja que el gos és incapaç

Figura 11. Invident amb el seu gos pigall.

28


d’aprendre’s les rutes de memòria. Així, veiem que en matèria d’orientació un

gos guia no té avantatges respecte el robot.

Però a part de tots aquests enigmes, un altre problema de difícil

resolució se’ns planteja quan busquem la manera d’enfocar el robot.

Actualment hi ha varis prototips de robots guia per a cecs que funcionen de

diferent forma: uns se serveixen de diverses càmeres per desplaçar-se, altres

utilitzen el sistema de posicionament global GPS, o d’altres, que només

funcionen dins les botigues o supermercats, es guien mitjançant les etiquetes de

radiofreqüència adherides als productes. Si bé és cert que no hi ha cap patró

establert sobre com escollir aquest factor, hom l’ha d’escollir tenint en compte

que sigui pràctic (no utilitzar etiquetes de radiofreqüència si el robot ha d’anar

pel carrer, ni GPS si no ha de sortir de dins d’un establiment), eficient i, sense

retallar en qualitat ni fiabilitat, econòmic.

I un últim avantatge que tenen els robots pigall respecte als gossos és la

legislació vigent. En tot el món, les úniques tres lleis dedicades al control de

l’ús dels robots són les d’Isaac Asimov –exposades a la introducció del treball-,

que, tot i existir no són vigents. Bé, hi ha una excepció: el Japó. Allà, amb la

previsió d’un augment radical de la robotització –més aviat proper a la ciència

ficció- per l’any 2050, hi ha diverses comissions en taula rodona per establir un

codi de lleis per al desenvolupament i ús dels robots que protegeixi els

ciutadans i reguli el que és i no és moral que faci un robot.

Respecte els gossos, tot i que a totes les comunitats d’Espanya està

permesa l’entrada dels gossos pigall a tots els establiments i llocs públics,

podem trobar-nos amb problemes si viatgem a un altre país menys sensibilitzat

amb aquest tema, on els drets humans estan una mica endarrerits, globalment

parlant.

29


9. EL ROBOT PIGALL

9.1. Plantejament del robot

El primer que vaig fer a l’hora de construir el robot va ser pensar les

funcions que havia de fer. El més important era que pogués detectar els objectes

i obstacles que se li creuessin pel camí i esquivar-los per seguir endavant. Quan

trobés una paret o un obstacle molt gran el robot s’hauria de parar i esperar

que, mitjançant un micròfon que aquest portaria incorporat, l’usuari indiqués al

pigall, mitjançant un codi de sons (p.e. un cop de mans dreta, dos cops de

mans esquerra, etc.) la següent direcció del moviment. Una altra funció molt

important també és la de detectar escales; el robot hauria de ser capaç de

detectar qualsevol tipus de precipici insuperable per ell (unes escales, el forat

d’unes obres, etc.). També em va semblar interessant que el robot es mantingués

a una distància prudent de l’individu, la qual es mantindria aplicant una

velocitat variable al robot, en funció de la velocitat d’aquest individu. I l’última

característica rellevant seria que el robot anés pitant, emetent algun so per

indicar on es troba al seu amo.

Per portar a terme aquestes característiques, el robot necessitaria:

Dues unitats de sensors d’ultrasons: una al davant, per detectar els

obstacles, i l’altra al darrere, per mantenir la distància amb l’usuari.

Un micròfon: situat en qualsevol lloc del robot, perquè l’invident

pugui triar la direcció per on continuar quan el robot es trobi una

paret.

Dos sensors de fi de cursa: que detecten mecànicament (per pressió)

qualsevol obstacle; un aniria al terra per detectar escales, forats, etc. i

l’altra aniria al davant, per detectar una paret o obstacle en cas que

els ultrasons fallessin.

30


Dos motors: per impulsar el robot. Haurien de ser relativament

potents, ja que la velocitat de la persona és molt variable (4km/h

normalment, 2-3km/h passejant tranquil·lament, 5-8km/h caminant

amb pressa).

Un altaveu: per anar emetent senyals sonors que permetin a l’usuari

identificar la posició del robot.

A més d’aquestes funcions bàsiques, també vaig pensar que el robot

podria utilitzar rodes de tipus eruga, que, amb una mida considerable li

permetrien pujar i baixar escales; i vaig creure interessant que el robot pogués

parlar: que tingués la capacitat de dir frases com “objecte molt gran al davant”

o “girar a la dreta”.

La primera idea va quedar descartada ràpidament: a part que per poder

pujar escales el robot hauria de tenir una mida i un pes considerable, seria molt

difícil que ho acabés fent, doncs la força de fregament que proporcionarien els

cantells de les escales seria insuficient, i, en cas que fos suficient, la potència que

necessitaria el robot per pujar seria molt gran; requeriria unes bateries més

grans que a la vegada incrementarien més el pes i farien disminuir altre cop la

relació pes-potència.

La segona idea era molt més factible, i m’hi vaig interessar. A la casa

PICAXE vaig trobar un mòdul específic que feia aquesta funció: reproduir

sònicament les frases que li eren introduïdes de forma escrita, mitjançant un

software de fàcil utilització. A més a més, aquest mòdul estava dissenyat

principalment per funcionar conjuntament amb un microcontrolador PICAXE,

cosa que simplificava més les coses. Tot plegat, massa maco.

31


I efectivament, quan em vaig decidir a comprar aquesta peça les coses es

van complicar. El mòdul no estava disponible, de manera que em vaig posar en

contacte amb el fabricant (del Regne Unit), explicant que estava fent un treball

de recerca i que necessitava aquesta peça pel seu correcte desenvolupament.

Amb la resposta va venir el caos. Van contestar-me que, en aquest mòdul, una

de les peces era un xip que fabricava una altra empresa, la qual havia

descatalogat aquest xip del seu “stock”. Això significava que aquest mòdul no

seria fabricat mai més. (En l’annex del treball trobareu els e-mails amb què vaig

comunicar-me amb el fabricant de Gran Bretanya).

Interessat en el tema, vaig seguir buscant i vaig trobar una alternativa: un

PIC anomenat “speakjet” que també feia la funció de parlar. El problema, tot i

que era compatible amb els PICs PICAXE, era que en lloc de memòria flash

utilitzava l’EEPROM (explicada anteriorment en el treball). Això significava que

per programar-lo necessitaria un programador d’EEPROM4, amb un preu

bastant elevat. Però la cosa encara es complicava més: el fabricant de

l’”speakjet” no havia desenvolupat cap software per programar-lo, sinó que en

el seu datasheet5 s’indicava que s’havia de programar a molt baix nivell, sense

utilitzar cap llenguatge de programació: amb sistema hexadecimal6. Tot i això,

no vaig descartar l’ús de l’”speakjet” com a possible ampliació del treball.

4Programador d’EEPROM: mòdul que fa d’intermediari entre un PC i un PIC

amb memòria de tipus EEPROM, el qual pot ser reprogramat gràcies a aquest

mòdul.

5Datasheet: document que explica el funcionament i les característiques d’un

determinat component.

6Sistema hexadecimal: sistema de numeració amb base 16 (utilitza de 0 a 9 i de

A a F). S’utilitza principalment en informàtica ja que dos dígits en hexadecimal

equivalen a un byte (vuit dígits en sistema binari).

32


9.2. Comprovació dels components

Quan ja tenia les idees una mica clares, vaig comprar els components. El

microcontrolador que vaig triar era el PICAXE 28X1, que era el que millor

s’adaptava a les necessitats del robot.

Aquest microcontrolador té 8 pins de sortida, ampliables a 16 si se

suprimeixen les entrades; i 12 pins d’entrada, 4 dels quals amb capacitat per

interpretar senyals analògiques. Una característica interessant d’aquest PIC és el

ressonador. Ja n’incorpora un d’intern (imprescindible pel funcionament), però

cap la possibilitat d’incorporar-ne un d’extern, que multiplicarà pel seu valor la

velocitat de rellotge (freqüència) del microcontrolador.

La freqüència interna del PICAXE 28X1 és de 4MHz, i la placa on aquest

va muntat porta un ressonador extern de 4MHz. Per tant, la velocitat de rellotge

resultant serà de 4 · 4 = 16MHz. Aquest augment de la velocitat segurament serà

necessari, ja que aquest PIC farà d’intermediari de molts sensors, que necessiten

una gran precisió i velocitat en el seu manejament. Si calculem el període:

Figura 12. Esquema del PICAXE 28X1.

33


T = 1” / 16.000.000 Hz = 0,0000000625 62,5ns

veiem que, la velocitat d’execució de les ordres d’aquest és substancialment

millor a la del PICAXE 08M, usat en el robot rastrejador.

Un cop informat sobre el microcontrolador amb que treballaria, vaig

començar a provar el funcionament de cada component en una placa de proves.

Al principi només els LEDs i els sensors de fi de cursa, que van anar bé a la

primera, però quan vaig provar els sensors d’ultrasons vaig tenir problemes.

El microcontrolador ja sabia que no fallava, perquè m’havia funcionat a

la perfecció amb el sensor de fi de cursa, i el programa tampoc podia ser, ja que

l’havia trobat en una exemplificació de la web de PICAXE; així que vaig

repassar frenèticament el circuit de prova que havia muntat pels sensors

d’ultrasons, en cerca d’errades. Però no n’hi vaig trobar cap. Llavors vaig

repassar tots i cadascun dels cables que connectaven el PIC amb els components

(ja que els havia fabricat jo i podia ser que algun estés malmès), però res, tot

perfecte. Finalment, després d’hores d’intents fallits vaig buscar documents a

Internet que parlessin d’aquest tema, i vaig trobar la solució: la placa que

portava muntat el microcontrolador incorpora el darlington driver (un array7 de

8 transistors darlington que permeten manejar corrents de 500mA, més grans

que les que maneja el microcontrolador), destinat al funcionament de motors i

servos, però incompetent a l’hora de fer funcionar sensors precisos com ara els

d’ultrasons, ja que no detecten els petits polsos del microcontrolador, de com a

màxim 20mA, i, en el cas de l’ús dels ultrasons, d’una durada ínfima de 10 a

20µsegons.

7Array: matriu, és una disposició sistemàtica dels objectes, generalment en files

i columnes.

34


Per arreglar-ho, vaig retirar el

darlington driver i vaig fer un pont

provisional en el seu lloc, per poder

obtenir les sortides del PIC directament.

A partir d’aquí, vaig fer proves successives utilitzant els sensors de fi de

cursa i els d’ultrasons, per acabar-me de familiaritzar amb el seu

comportament. Per fer-ho, vaig connectar els components en una placa de

proves, ja que, com que no requereix soldar i es pot canviar i modificar

fàcilment, és la forma més ràpida per muntar circuits experimentals.

En l’annex podem trobar un dels programes que vaig utilitzar amb el

muntatge de la figura 13, amb la seva corresponent explicació.

Figura 13. Placa amb el pont del darlington driver.

Figura 14. Placa de proves amb el circuit muntat.

35


Després de les exitoses proves vaig començar les pràctiques amb els

servos, l’altaveu i el micròfon, els components del robot que encara faltava

comprovar.

Els servos, un cop trucats igual que vaig fer en el robot seguidor, no van

donar problemes, ja que ja hi havia treballat anteriorment i en coneixia el

funcionament. Tot i haver de fer un pont de transistors (mostrat en la pàg.40)

per poder girar els motors endavant i endarrere, la cosa no es va complicar.

L’altaveu tampoc em va donar gaires problemes, excepte que si l’alimentava

amb una font que no fos la mateixa que alimentava el PIC, se sentia el so

distorsionat. Tot i això, no em vaig preocupar, ja que al cap i a la fi, aquest

altaveu no era segur que anés muntat en el robot, i si ho feia aniria alimentat

amb les mateixes bateries que el microcontrolador, muntat en un circuit que

incorpora un filtre per a la corrent.

La part del micròfon va ser més experimental, ja que me’l va donar el

tutor del treball i no conservava les especificacions tècniques ni el micròfon

tenia cap número de referència. Així, les proves que vaig fer van ser amb el

muntatge estàndard de qualsevol altre component: alimentació de 5V i un

divisor de tensió a la sortida de 10KΩ, per protegir el PIC. El muntatge va

funcionar, i, tot i captar un soroll de fons, com que l’únic que necessitava era

que el micròfon captés els cops de mans, que distingís un augment del soroll a

partir del llindar del soroll de fons, que establiria com a llindar zero, va ser

suficient i no vaig creure necessari cap circuit amplificador.

36


9.3. Replantejament i factors a tenir en compte

Ara que ja havia comprovat que tot funcionava era el moment de

començar a soldar tots els components definitivament en una placa. Però el

disseny del robot havia canviat substancialment. Havia decidit utilitzar dues

fonts d’alimentació en lloc d’una de sola: una de 5V per al PIC, els ultrasons, els

sensors de fi de cursa, l’altaveu i el micròfon; i una de 9V per als servos, ja que

així obtindria un menor desgast de les bateries i més velocitat pel robot. A més

a més, vaig decidir que, en lloc de tenir un sensor d’ultrasons al davant i un

altre al darrere, el robot tindria visió d’una perspectiva més gran si posava els 2

ultrasons al davant, perquè així “veuria” a dreta i esquerra i no només

endavant. I l’últim canvi que vaig introduir va ser que tindria tres sensors de fi

de cursa: mantindria el del davant per si fallaven els ultrasons, però a sota n’hi

afegiria un altre ja que em vaig adonar que si el robot anava cap a un forat i no

ho feia de forma perpendicular a aquest, podia ser que amb un sol sensor el

robot no s’adonés de l’obstacle i hi caigués, així que a sota el robot hi hauria un

sensor de fi de cursa a cada banda per detectar forats o desnivells.

A més d’aquest replantejament, a

l’hora de muntar els components en el

robot hi havia alguns factors que havia

contemplar. Respecte els ultrasons:

aquests no emeten les senyals sonores

en una direcció recta com si es tractés

d’una fletxa, sinó que aquestes ones

adopten una forma de gota que poden

distorsionar la mesura del sensor.

Figura 15. Feix de les ones de so.

37


A més a més, aquesta forma fa que els dos sensors no puguin estar molt

junts, ja que si ho estan, la medició d’un sensor pot interferir en la mesura de

l’altre; i a més a més és recomanable que els sensors estiguin amb un cert angle

l’un respecte l’altre (que no estiguin situats paral·lelament), per fer encara més

difícil la distorsió de la mesura.

Tot i això, hi ha un tipus de distorsió que no es pot evitar de cap manera,

que de forma vulgar s’anomena “la miopia dels ultrasons”. Aquesta és

produïda quan les ones enviades per un sensor són desviades per un obstacle i

entren en la trajectòria d’un altre sensor, que en aquell moment havia enviat

unes ones per fer la seva medició. Aquest fenomen provoca que el primer

sensor no rebi cap senyal, ja que ha estat desviada per l’objecte que té al davant.

Així, aquest sensor no veurà que té un objecte al davant. Mentrestant, l’altre

sensor, que estava fent una medició, rebrà unes ones de resposta que no són les

seves. Per tant, aquest creurà que té un objecte a una distància que no

correspondrà a cap distància exacta de cap objecte, ja que aquesta ona, per

arribar al segon sensor haurà hagut de recórrer una distància major a la que

hauria hagut de recórrer si hagués tornat al primer sensor.

Figura 16.

La miopia dels ultrasons.

38


Un altre factor important a tenir en compte era la distribució del pes: el

robot tindria 5 rodes. Dues d’impulsores, acoblades als servos, que transmeten

la tracció al terra i suporten la majoria del pes; una roda boja al darrere sobre la

qual el robot pogués pivotar en girar, i on es recolzés una part del pes per evitar

inclinar-se cap al davant quan hi hagués un forat; i dues rodes boges més

acoblades als sensors de fi de cursa que detecten forats, per evitar el fregament

d’aquests sensors amb el terra.

I, finalment, el pont de transistors

en H, una meravella que permet fer girar

un motor endavant i endarrere només

canviant certs aspectes en el programa.

El seu funcionament es recolza sobre els

transistors NPN i PNP. Els NPN, deixen

passar la corrent quan els arriba un “1”

(quan arriba electricitat) a la base, mentre

que els PNP, condueixen quan els arriba

un “0” (quan no arriba electricitat).

A continuació veiem com es comporta el circuit depenent de si el

microcontrolador envia “0” o “1” als transistors:

Figura 17.

Circuit amb el pont de transistors en H.

“0” “0” “1” “1”

39


Si per les dues bandes arriba un 0 o per les dues arriba un 1, el circuit no

conduirà, ja que la combinació de transistors NPN i PNP ho impedirà per ella

mateixa.

9.4. Muntatge de la part electrònica

A mesura que vaig anar soldant els components en el circuit definitiu

anaven funcionant sense problemes: els sensors de fi de cursa, els LEDs, els

sensors d’ultrasons... Tot i això, vaig tenir moltes complicacions a l’hora de fer

el pont de transistors en H. Era estrany, perquè quan havia fet aquest mateix

pont en la placa de proves m’havia funcionat correctament, o això era el que

pensava, perquè després de repassar-ho tot, vaig adonar-me que havia dibuixat

malament el circuit dels transistors, i que per tant, quan els havia soldat també

els havia polaritzat com al dibuix, malament. Així que el fet que m’hagués

funcionat en la placa de proves va ser per casualitat, perquè la mala polarització

d’un transistor s’equilibrava amb la mala polarització d’un altre, i es creava una

diferència de potencial que era suficient per fer moure els servos, però que no

era la correcta, ja que dels 6V que proporcionaven les bateries, només 2V eren

aprofitats. Un cop corregit el problema i soldats altre cop els transistors, ara de

forma correcta, els servos van continuar sense funcionar. Ara sí que era més

estrany tot plegat, ja que després de comprovar-ho varis cops, el muntatge era

el correcte, el voltatge que donaven les piles era suficient, el microcontrolador

funcionava a la perfecció... però els transistors, en pocs segons de funcionament

s’escalfaven tant que no es podien ni tocar del que cremaven. Potser la

resistència de la base de cada transistor d’1KΩ era massa petita... Però, després

de comprovar diferents valors de resistències (4K7, 10K) i repassar les

especificacions del fabricant vaig adonar-me que les resistències no eren el

problema. El problema, va resultar ser que la pila que estava utilitzant pel pont

40


i els servos, de 9V, no podia tenir terra comú amb la pila que alimentava el PIC,

de 6V, ja que si no, una carregaria l’altra i acabaria espatllant-se i/o explotant.

Llavors, tot i ser una mica il·lògic el que estava passant, era que el PIC no podia

enviar corrent a la base dels transistors ja que el terra que trobava aquesta

corrent era el d’una altra pila, i per tant, era com si el circuit no estés tancat, tot i

que aquest muntatge funciona i és correcte en la immensa majoria de muntatges

electrònics. Per solucionar-ho, en lloc de posar un terra comú, vaig posar la

bateria de 6V que tenia el PIC per al pont de transistors i els servos, i la bateria

de 9V dels servos a l’alimentació del PIC, ja que tenia un regulador de tensió

que regulava dels 9V proporcionats als 5V necessaris pel microcontrolador.

Un cop resolt això ja vaig acabar de muntar el circuit, que va quedar així:

L’esquema del circuit elèctric que fa funcionar el robot pigall és el

següent:

Figura 18. Vista superior i inferior (respectivament) del circuit del robot.

Figura 19. Circuit de LEDs, indicador visual del funcionament dels components.

41


AL

IME

NT

AC

IÓ

AC

TU

AD

OR

S

SE

NS

OR

S

LM

7805

V+

6

V

VC

C

R1

8

1K

R9

14

330Ω

R15

820Ω

R16

19

10K

R20

22K

D1

7

LE

D 5

mm

T1

,2,5

,6

BC

327

T3

,4,7

,8

BC

337

FC

1,2

,3

fi

de

curs

a

M

ser

vo F

uta

ba

S3003

42


9.5. Muntatge de la part mecànica

Un cop el circuit va estar acabat va ser l’hora de fer la part mecànica del

robot, construir el xassís. Per fer-ho, vaig aprofitar una caixa de fusta que tenia

a casa, a la qual vaig fer els forats necessaris per cargolar-hi i enganxar-hi els

sensors de fi de cursa, els sensors d’ultrasons i els servos. Per subjectar el circuit

elèctric vaig fer-hi uns forats i el vaig aguantar amb unes varetes roscades que,

cargolades a la caixa de fusta, em permetien fer més d’un pis d’altura. En total

vaig fer-hi tres pisos. El primer conté el circuit elèctric principal, on hi ha totes

les connexions, resistències, transistors... El segon conté el circuit on està acoblat

el microcontrolador, i, en el tercer hi trobem el circuit amb els LEDs i les dues

alimentacions, ja que en cas que s’hagin de canviar, són de més fàcil accés que si

les hagués posat en algun pis inferior. Aquests pisos estan fets de caixes per

guardar CDs, que són de plàstic i per tant, lleugers.

Figura 20. Robot pigall amb el xassís acabat, vista frontal.

43


Per fer les rodes dels servos vaig utilitzar CDs i DVDs inservibles,

concretament, 2 per cada servo, ja que el pes d’aquest robot, tenint en compte

que el xassís és de fusta, és considerable, i podia ser que posant un sol CD, la

roda patís pel pes. Per fer la roda boja posterior i les rodes acoblades als sensors

de fi de cursa vaig utilitzar volanderes i peces de “mecano”, que com són de

metall no tenen problema per suportar el pes ni per entrar en contacte amb les

irregularitats del terreny.

Els plànols acotats del robot són els següents:

Figura 21. Robot pigall amb el xassís acabat, vista lateral.

44


3,5

cm

14cm

18

cm

13cm

4

cm

6,5

cm

16,5cm

21cm

12cm

22cm

4,5cm

15cm

45


9.6. Programació

El programa que fa funcionar el robot pigall és certament complex i

enrevessat, ja que ha d’estar tota l’estona llegint distàncies amb els ultrasons,

per no xocar amb cap objecte, i si troba qualsevol obstacle, ha de saber si ha de

girar a la dreta, esquerra o tirar enrere per esquivar-lo. A més a més, hi ha

d’haver una interrupció en el programa en el moment en què qualsevol dels

finals de cursa doni senyal, ja que això significa que, o bé ha xocat amb una

paret o objecte, o bé està a punt de caure per unes escales o un forat. Quan

aquesta interrupció s’activa, el robot ha de tirar immediatament enrere per

evitar caure, ja que si únicament es paren els motors, pot ser que per la inèrcia

continuï endavant. A més a més, ha de saber quin sensor de fi de cursa és el que

ha activat la interrupció, en funció del què el robot girarà a la dreta, a l’esquerra

o ho farà aleatòriament. Tenint tot això en compte i després de fer diverses

proves i correccions, el programa que fa funcionar el robot pigall és el següent:

46


47


10. POSSIBLES MILLORES DEL ROBOT

És molt difícil escollir unes millores concretes per al robot pigall, ja que

n’hi ha una infinitat que són possibles d’aplicar. Tot i així, jo crec que és bo

apostar per aquelles que milloren la funcionalitat dels components que

actualment ja porta incorporats, com per exemple: els tres circuits que formen el

robot (circuit del PIC, circuit de tots els components electrònics i circuit visual

de LEDs), en lloc d’estar separats podrien ser una sola PCB8, que a més de ser

més comprimida i guanyar espai, és més lleugera que tres plaques i les

possibilitats de mals contactes es redueixen dràsticament. A més a més, aquesta

millora permetria eliminar els tres pisos del robot pigall -que em serveixen per

distribuir els tres circuits de manera que no ocupin gaire superfície, apilant-los

verticalment- fet que suposaria una reducció del pes considerable i que el centre

de gravetat del robot estigués per sota de l’alçada actual, millorant així

l’estabilitat. Una altra possible millora seria l’augment del diàmetre de les

rodes, ja que, com els servo motors tenen un parell relativament potent, si

s’engrandissin les rodes, la velocitat angular seria gairebé la mateixa, però la

velocitat lineal augmentaria proporcionalment a l’augment de diàmetre. Una

altra millora, amb la qual segurament es notaria un increment del rendiment

dels servos seria utilitzar rodes boges prefabricades, ja que aquestes porten

coixinets que redueixen el fregament a un coeficient molt baix, i en canvi, les

rodes boges que he utilitzat les he fabricat jo, amb cargols, femelles, volanderes

i peces de “mecano”, per la qual cosa el fregament deu ser important.

Hi ha moltes altres millores que serien possibles, però en general són

molt destacables les que redueixen els factors mida, pes i desgast de les bateries.

8PCB (Printed Circuit Board): circuit imprès que conté les pistes de coure i els

orificis justos i necessaris per connectar tots els components entre si.

48


11. CONCLUSIÓ DEL TREBALL

M’ha agradat moltíssim el tema de treballar l’electrònica. És una matèria

que, tot i que sigui difícil perquè sovint les possibilitats de fracàs són superiors

a les d’èxit, que pot arribar a ser desesperant en certs moments en què hi ha

problemes i no se’n troba la causa, després d’hores d’investigació, és molt

gratificant quan s’acaba un projecte (en el meu cas el robot seguidor de línies i

el robot pigall) i es veuen reflectides el munt d’hores invertides en allò en què

s’ha posat tanta il·lusió, i que ara funciona.

Doncs l’electrònica, contràriament al què pugui semblar a ulls de la gent,

no és gens monòtona: no és únicament soldar components en un circuit,

calcular valors de resistència, corrent, tensió... sinó que també inclou una part

molt important de programació i una altra de mecànica, amb la qual aquesta

electrònica que s’ha treballat adquireix un sentit, fa que el projecte no només

funcioni electrònicament parlant, sinó que l’altra gent podrà veure-hi una

funcionalitat física i fins i tot una certa utilitat.

Ara, un cop acabada tota la feina puc dir que he arribat a l’objectiu del

treball, que era construir un robot que fos capaç de detectar tot tipus d’obstacles

com ara parets, escales... i esquivar-los per seguir endavant, de la mateixa

manera que ho hauria de fer una persona cega. A més a més, aquest treball de

recerca m’ha fet canviar les perspectives de futur: tenia pensat estudiar alguna

carrera relacionada amb l’informàtica, però ara, veig que no hauria estat la

meva passió, ja que he vist que l’electrònica és, per a mi, una infinitat de cops

més entretinguda i gratificant que l’informàtica, i que a més ofereix un ventall

de possibilitats molt més ampli, al qual només pot tallar les ales la nostra

imaginació.

49


12. PRESSUPOST INVERTIT

Component Unitats €/unitat

Resistències 10K, 22K, 100K i 220Ω ¼W 13 0,0096

Resistències 330Ω i 1K ¼W 20 0,0134

Regulador de tensió LM7805CT 2 0,4598

Transistor BDX53 (NPN) 2 0,2

Transistor BC337 (NPN) 4 0,1322

Transistor BC327 (PNP) 4 0,1322

Diode 1N4004 2 0,0575

Diode LED 5mm 9 0,1036

Condensador de poliester 100K/100V 1 0,0894

Condensador ceràmic multicapa 20% 50V 100K/63V 4 0,113

Sensor infraroig CNY70 2 0,977

Sensor ultrasons SRF05 2 17,65

Sensor de fi de cursa SPDT 43mm 3 0,698

Interruptor / commutador 2 0,244

PICAXE 08M 1 1,951

PICAXE 28X1 1 6,618

Project board PICAXE 28X1 1 12,377

Servo Futaba S3003 4 12,5

Portapiles 2 2

Placa de fibra de vidre 1 2,4

Cargols, femelles i broques M3 i M4 X (5)

TOTAL (16% IVA + despeses d’enviament incloses) 126,54 €

50


13. WEBGRAFIA

Informació sobre electricitat: [1 al 10 de juliol de 2009]

http://www.acenor.cl/acenor/pag.gral/documentos/Historia_Electricidad.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad

Informació sobre components electrònics: *5 al 19 d’octubre de 2009+

http://es.wikipedia.org/wiki/Componente_electrónico

Informació sobre robòtica: [juny al setembre de 2009]

http://es.wikipedia.org/wiki/Robótica

http://ca.wikipedia.org/wiki/Robòtica

http://jerz.setonhill.edu/resources/RUR/index.html

http://www.conscious-robots.com/en/reviews/robots/a-robot-in-every-

home.html

http://www.rev-ed.co.uk/picaxe/

Informació sobre robot seguidor: [20 de juliol al setembre de 2009]

http://www.robolot.org/

Informació sobre gossos i robots pigall: [setembre i octubre de 2009]

http://www.nevasport.com/nevablogs/adaptado/art/entrevista-a-jon-

santacana/4316/

http://lafura.cat/suplements/arxius/ARXIUS/GOSSOS/DOSSI2.HTM


http://www.universalpet.es/los-perros-guia-para-ciegos/

http://sites.google.com/a/misena.edu.co/robot-guia/

http://www.ctv.es/USERS/aepa/guias.htm

http://perrosguia.once.es/catalogo/home.cfm?excepcion=1&lengua=catalan&pag

=c3

http://www.acenor.cl/acenor/pag.gral/documentos/Historia_Electricidad.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad

http://es.wikipedia.org/wiki/Componente_electr%C3%B3nico

http://es.wikipedia.org/wiki/Rob%C3%B3tica

http://ca.wikipedia.org/wiki/Rob%C3%B2tica

http://jerz.setonhill.edu/resources/RUR/index.html

http://www.conscious-robots.com/en/reviews/robots/a-robot-in-every-home.html

http://www.conscious-robots.com/en/reviews/robots/a-robot-in-every-home.html

http://www.rev-ed.co.uk/picaxe/

http://www.robolot.org/

http://www.nevasport.com/nevablogs/adaptado/art/entrevista-a-jon-santacana/4316/

http://www.nevasport.com/nevablogs/adaptado/art/entrevista-a-jon-santacana/4316/



http://www.universalpet.es/los-perros-guia-para-ciegos/

http://sites.google.com/a/misena.edu.co/robot-guia/

http://www.ctv.es/USERS/aepa/guias.htm

http://perrosguia.once.es/catalogo/home.cfm?excepcion=1&lengua=catalan&pag=c3

http://perrosguia.once.es/catalogo/home.cfm?excepcion=1&lengua=catalan&pag=c3

51


http://www.conscious-robots.com/es/maquinas-conscientes/robots-

conscientes/legislacion-para-los-robots-del-f.html

http://www.nodo50.org/utlai/perros.htm

Informació sobre microcontroladors: [agost al desembre de 2009]

http://es.wikipedia.org/wiki/Microcontrolador_PIC

http://www.unicrom.com/Tut_PICs1.asp

http://en.wikipedia.org/wiki/PIC_microcontroller

http://es.wikipedia.org/wiki/Memoria_flash

http://www.didatec.es/Curso28x.htm

Imatges: [juny de 2009 al gener de 2010]

http://www.monografias.com/trabajos37/comunicaciones/Image8174.gif

http://4.bp.blogspot.com/_js6wgtUcfdQ/R4O4QP0aVRI/AAAAAAAABqY/-

Ei4TxsbBKc/s400/memoria_eprom_27C256_32K.jpg

http://www.nevasport.com/fotos/120907/150019.jpg

Les imatges de les pàgines 7, 8 i 9 també són extretes de la web per mitjà d’un

proveïdor de cerques, i per tant, és difícil rastrejar-ne la URL, ja que algunes ja

no estan disponibles. La resta d’imatges que conté el treball han estat fetes o

dibuixades per mi i en tinc els drets d’imatge.

Vídeos: [juny de 2009 al gener de 2010]

http://www.youtube.com/watch?v=tJh6Bh7kHYA

http://www.youtube.com/watch?v=S-CK420ZBXE

http://www.youtube.com/watch?v=JkiJB3_DW7A

http://www.youtube.com/watch?v=OJ_PGKX77bY

Aquests són vídeos que he gravat jo en diferents etapes del treball i que es

poden trobar en el CD de suport digital del meu treball de recerca.

http://www.conscious-robots.com/es/maquinas-conscientes/robots-conscientes/legislacion-para-los-robots-del-f.html

http://www.conscious-robots.com/es/maquinas-conscientes/robots-conscientes/legislacion-para-los-robots-del-f.html

http://www.nodo50.org/utlai/perros.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/Microcontrolador_PIC

http://www.unicrom.com/Tut_PICs1.asp

http://en.wikipedia.org/wiki/PIC_microcontroller

http://es.wikipedia.org/wiki/Memoria_flash

http://www.didatec.es/Curso28x.htm

http://www.monografias.com/trabajos37/comunicaciones/Image8174.gif

http://4.bp.blogspot.com/_js6wgtUcfdQ/R4O4QP0aVRI/AAAAAAAABqY/-Ei4TxsbBKc/s400/memoria_eprom_27C256_32K.jpg

http://4.bp.blogspot.com/_js6wgtUcfdQ/R4O4QP0aVRI/AAAAAAAABqY/-Ei4TxsbBKc/s400/memoria_eprom_27C256_32K.jpg

http://www.nevasport.com/fotos/120907/150019.jpg

http://www.youtube.com/watch?v=tJh6Bh7kHYA

http://www.youtube.com/watch?v=S-CK420ZBXE

http://www.youtube.com/watch?v=JkiJB3_DW7A

http://www.youtube.com/watch?v=OJ_PGKX77bY

52


14. AGRAÏMENTS

Vull agrair tota l’ajuda i suport que he rebut de la meva família, dels

meus amics, i en general de tothom que m’hagi ajudat directament o indirecta i

que hagi contribuït al desenvolupament d’aquest treball de recerca.

Faig especial menció pel Pep Porredon, el tutor del treball, que m’ha anat

guiant i que des del principi ha dipositat una confiança molt gran en mi, m’ha

animat a seguir endavant durant tot el procés i sempre que ho he necessitat ha

trobat una estona o altra per ajudar-me a resoldre els imprevistos.

Projecte de construcció d’un robot - francescribalta.cat · La forma analògica té...

Documents

Transcript of Projecte de construcció d’un robot - francescribalta.cat · La forma analògica té...